세포의 비밀을 밝히다, ‘생체막 올가미’ 기술 개발
카이스트 바이오이미징 및 광유전학연구실 허원도 교수
세포는 생물체를 구성하는 기본 단위이다. 인간은 약 100조 개의 세포로 구성되어 있으며, 이들 세포의 성장과 분열, 이동이나 신경전달 등에 의해 생명활동이 이뤄진다. 때문에 세포는 생명의 비밀을 풀 수 있는 열쇠로 주목되어 왔으나, 다양한 기능을 담당하는 세포소기관의 역동적이고 복잡한 움직임을 제어할 방법이 없어 관련 연구가 제한되어 왔다.

빛 활용한 세포소기관 제어, 각각의 역할 규명에 효과적
세포의 크기는 생물종과 각기 맡은 역할에 따라 다양하지만, 일반적으로 마이크로미터 단위의 크기를 갖고 있다. 그리고 이들 세포 안에는 엔도좀, 리소좀, 엑소좀 등 다양한 막 구조 세포소기관이 있어 다양한 기능을 담당하고 있다. 최근 카이스트 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 막으로 이루어진 세포내 소기관들의 이동을 빛으로 자유롭게 제어할 수 있는 ‘생체막 올가미(IM-LARIAT)’ 기술을 개발해 학계의 주목을 받고 있다.

생체막 올가미 기술이란 청색 빛에 반응하는 식물 단백질과 랩 단백질(Rab small GTPase)을 합친 융합단백질을 만들어 세포내 발현한 후 빛으로 막 구조 세포소기관들을 제어하는 기술이다. 이 융합단백질이 발현된 세포에 청색 빛을 비추면, 막 구조 세포소기관들이 서로 빠르게 응집하며 이동이 일시 정지되고 세포내 물질 수송이 멈추게 된다. 그리고 빛을 끄면 다시 물질 수송이 재개된다는 가역적인 특징을 가진다. 즉 빛의 노출 시간과 위치를 조절함으로써, 특정 시간, 특정 위치에서 세포소기관들의 이동을 제어할 수 있게 된 것이다. 또한 융합단백질의 종류에 따라 응집하는 세포소기관도 달라진다. 따라서 융합단백질의 종류를 바꿔가며 실험하는 과정에서 발생하는 저마다 다른 세포 이상 현상을 관찰함으로써 각각의 세포소기관들이 수행하는 역할을 하나씩 규명하는 것이 가능하다. 특히 연구팀은 이 기술을 신경세포에 적용, 신경세포의 말단부분인 성장원추(growth cone)의 성장에 ‘엔도좀’이 기능한다는 사실을 규명하는데 성공했다.

“세계 광유전학분야 선도할 것”
이번 연구 성과가 크게 주목받는 까닭은 특정 세포소기관의 기능을 보다 편리하고 정확하게 규명하는 것이 가능하기 때문이다. 허원도 교수는 “기존에도 세포소기관의 역할 규명에 대한 연구는 계속해서 진행돼 왔습니다. 하지만 약물이나 전기 자극을 이용한 기존 연구 기술은 특이성과 가역성이 떨어져 정확한 결과를 얻어내기가 어려웠습니다. 반면 생체막 올가미 기술은 비 침습적(non-invasive) 방식이며, 최소한의 자극으로 막 구조 세포소기관들의 이동을 효과적으로 제어할 수 있다는 점에 의의가 있습니다”라고 설명했다. 또한 그는 융합단백질을 만드는 데 사용된 랩 단백질은 보통 인간세포에 60개 이상 존재하고 있기 때문에 거의 모든 종류의 세포소기관들의 역할 규명이 가능하다고 덧붙였다. 이 기술은 다양한 암과 신경질환의 치료에도 응용할 수 있으며, 뇌 신경세포에 관한 연구를 통해 기억과 학습 관련 연구에도 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 

허원도 교수가 이끌고 있는 ‘바이오이미징 및 광유전학연구실’은 독창적이고 창의적인 단백질 및 세포 제어 원천기술의 연구와 개발에 힘써왔다. 지난해 ‘광유전학 기술을 이용해 칼슘 채널을 조절하는 기술’에 대한 논문이 「Nature Biotechnology」의 10월호 표지 논문으로 선정되기도 했으며, 이번 연구 성과 또한 생명과학 분야 학술지인 「Nature Chemical Biology」 6월호에 게재되었다. 허 교수는 연구팀이 거두고 있는 이 같은 성과가 화목하고 자유로운 랩 분위기 덕분이라고 전했다. 그는 “효율적인 연구를 위해선 연구에 전념할 수 있는 랩분위기의 조성이 중요하다고 생각합니다. 또한 학생들마다 관심 있는 연구주제를 자유롭게 선택해 참여할 수 있도록 함으로써 연구에 대한 동기부여도 높이고 있습니다”라고 밝혔다. 또한 허 교수는 “생물학 및 세포에 대한 끊임없는 호기심과 최신 연구트렌드에 대한 지속적인 모니터링이 새로운 기술 개발의 원천이 됩니다”라고 강조했다. 세계를 선도할 광유전학기술의 연구와 개발에 매진하고 있는 이들의 앞으로의 행보를 주목해보자.

IM-LARIAT technique reveals secrets of the cell.
Prof. Won Do Heo from Bio Imaging & Optogenetics Laboratory - KAIST
Control intracellular organelles with light to study their functions
In mammalian cell, there are several various membrane organelles such as endosome, lysosome and exosome, etc., which transport and distribute materials to maintain cellular function. Prof. Won Do Heo and his team in KAIST have recently developed IM-LARIAT (Light-activated reversible inhibition by assembled trap of intracellular membranes) technique that can control these organelles with light, attracted a great attention from the scientific circle at the moment. The technique introduced a fusion protein, including a protein of plant origin that is blue-light sensitive, and a Rab small GTPase that targeting specific intracellular organelle. When the blue light is turned on, in the cells that are expressed the fusion proteins, the organelles are pulled together, which in turn leads to a temporal stop of the transportation mediated by the organelles. When the light is turned off, the activity is reversed back to normal. This means that they can control the movement of intracellular organelles using light at the desired time and location. Using this technique, they can manipulate the movement of different types of organelles and investigate any change in cellular activities. Prof. Heo and his team applied the technology to nervous cells and showed that each type of ‘endosomes’ affects the growth of ‘growth cone’, the tail of nervous cells, differently.

“We will lead the optogenetics field”
The reason that the team’s new technique is on the center stage of the scientific circle is that it allows scientists to investigate more detailed and distinct functions of a certain organelle. Heo explained: “There have been several developed techniques for studying the roles of intracellular organelles, such as the use of chemicals and genetic modification. However, these techniques suffer from certain limitations, including low specificity and slow effect, which could lead to inaccurate results. But our IM-LARIAT technique provides a simple method to manipulate membrane organelles with minimum side effects.” Heo continued: “Because human cell has more than 60 Rab small GTPases, we can also utilize these proteins to target to diverse types of organelles. We can apply this technique to discover new mechanisms involved in cell and brain functions, contribute to the development of therapeutic methods to cure diseases such as cancer and neurological disorders. IM-LARIAT technique was published in the June issue of Nature Chemical Biology. Another technique from the team, optoSTIM1, was also published in last year October issue of Nature Biotechnology, ‘Optogenetic control of endogenous Ca2+ channels in vivo’, as the cover story. “Our achievements are the result of strong motivation and teamwork. So far we have not only been triggered with questions about unknown biological mechanisms, but also kept following the new trends in research. We will continue our passion and invest more efforts in order to become the world leader in optogenetics field.” said Heo.